SIMULAÇÃO NUMÉRICA DO REFORÇO ESTRUTURAL DE TÚNEIS DO METROPOLITANO DE LISBOA Leitão, N.S. 1 ; Vieira, A. 1 ; Barreto, J. 2 & Sousa, L.R. 1 Resumo Os túneis incluídos nos 52º e 53º troços do Prolongamento da Linha Amarela do Metropolitano de Lisboa, entre o Campo Grande e Odivelas, foram executados pelo designado método sequencial com recurso a betão projectado e outros meios de sustimento. A solução construtiva previu, antes do desmonte da secção, um reforço dos terrenos em avanço ou pré-suporte, por via da inclusão de enfilagens metálicas e colunas de jet-grouting, instaladas segundo o contorno da meia secção superior dos túneis. Neste trabalho efectua-se uma simulação numérica do reforço do maciço por via da inclusão de enfilagens e a análise do seu desempenho estrutural na obra anteriormente referida. Abstract The tunnels of the 52 nd and the 53 rd sections of the Lisbon Underground Metro Line Extension between Campo Grande and Odivelas were built by a sequential method following the use of sprayed concrete and other sustaining elements. The construction solution had foreseen, before the section excavation, ground reinforcement by means of a pre-lining technique with steel forepoling and jet grouted columns installed ahead of the tunnel top half section. In the present paper a numerical simulation of the ground reinforcement by means of the inclusion of forepoling is performed as well as an analysis of its structural performance on the case previously referred. Palavras-Chave NATM, pré-suporte. INTRODUÇÃO As obras do Prolongamento da Linha Amarela do Metropolitano de Lisboa entre o Campo Grande e Odivelas tiveram início em 1999, com a construção do poço de ataque de Odivelas. Este empreendimento vai permitir servir uma zona densamente povoada da cidade tendo, na altura da sua concepção, sido estimado para o troço Campo Grande- Odivelas um número de 25000 passageiros no período de ponta da manhã e de 56000 de tráfego médio diário. A expansão da Linha Amarela engloba cerca de 5km de rede em exploração e cinco estações. A linha desenvolvese para Norte, a partir do Campo Grande, atravessando as estações da Quinta das Mouras, Lumiar e Ameixoeira, sempre em subterrâneo e em viaduto a Calçada de Carriche. Segue em túnel até à estação do Senhor Roubado, interface com os transportes colectivos rodoviários, terminando em viaduto na estação de Odivelas. Os túneis dos 52º e 53º troços do Prolongamento da Linha Amarela perfazem cerca de 800m de extensão tendo sido executados com escavação parcializada da frente. O primeiro túnel tem início ao km 24+296,220, junto ao poço de ataque onde se iniciou a execução do túnel com escudo, e termina ao km 23+890,803, junto ao talude Nascente da Calçada de Carriche. O segundo, totalmente inserido no 53º troço, desenvolve-se entre o talude Poente da Calçada de Carriche, ao km 23+733,740, e o local da Estação do Senhor Roubado, ao km 23+388,164. A travessia da Calçada de Carriche será efectuada em viaduto. A secção transversal do túnel é composta na metade superior por um semicírculo de raio 4,35m, e na metade inferior por uma directriz composta de raio 8,70m, com centro localizado no eixo vertical do túnel, e por uma transição de raio igual a 2,175m. O vão máximo e altura máxima do túnel são de, respectivamente, cerca de 10,1m e 8,6m. O recobrimento é variável alcançando um máximo de cerca de 45m, no túnel do 52º e 53º troços, e de cerca de 56m, no túnel do 53º troço. Neste trabalho apresenta-se uma simulação numérica da construção destas estruturas subterrâneas, pretendendo-se analisar o efeito da inclusão do reforço do maciço adiante da frente de escavação no desempenho global da obra. MÉTODO CONSTRUTIVO A construção dos túneis incluídos nos 52º e 53º troços do prolongamento da Linha Amarela do Metropolitano de Lisboa desenvolveu-se em quatro frentes. Os trabalhos iniciaram-se em Março de 2001 na frente junto ao poço de ataque da tuneladora. Os emboquilhamentos foram estabelecidos para condições de recobrimento da ordem de 10m (cerca de um diâmetro). Os troços com recobrimentos inferiores a 10m foram construídos a céu aberto. A solução definida para a construção consistiu no reforço em avanço do terreno por execução de colunas sub- -horizontais de jet-grouting ao longo do contorno da abóbada (guarda-chuva), com a escavação da secção em duas fases, com a seguinte sequência [1]: - Execução no contorno da abóbada de colunas sub-horizontais de jet-grouting, com 12m de comprimento, segundo um ângulo ao centro de 120º (Figura 1). 1 Laboratório Nacional de Engenharia Civil, Av. do Brasil, 101, 1700-066 Lisboa, Portugal 2 Metropolitano de Lisboa, E.P.,
- Escavação em avanços de 1,5m da meia secção superior; suporte constituído por betão projectado com 20cm de espessura sobre rede electrosoldada, cambotas metálicas TH 29 afastadas de 1,5m (Figura 2-a). - Escavação em avanços de 4m da meia secção inferior, suporte constituído por betão projectado com 20cm de espessura sobre duas malhas de rede electrosoldada, seguindo-se a betonagem da soleira definitiva (Figura 2- b). - Betonagem do revestimento definitivo dos hasteais e da abóbada. Figura 1. Representação longitudinal das fases de construção do túnel (a) Figura 2. Faseamento da escavação do túnel (b) CARACTERIZAÇÃO GEOLÓGICA E GEOTÉCNICA Os trabalhos de reconhecimento geológico-geotécnico entre o Poço de Ataque e a Estação de Odivelas envolveram a realização de 17 sondagens, das quais cinco foram realizadas na zona de implantação dos túneis: S34 e S35 - na zona do túnel dos 52º e 53º troços - e S36, S37 e S38 - na zona do túnel do 53º troço [2]. Estes trabalhos englobaram também numerosos ensaios de caracterização. Na modalidade de ensaios de campo foram realizados ensaios de penetração dinâmica SPT, ensaios com o pressiómetro de Ménard e ensaios com o pressiómetro autoperfurador de Cambridge [3]. A colheita de amostras possibilitou a realização de ensaios de laboratório, tendo-se incluído nesta modalidade: análises granulométricas, determinação dos limites de consistência, determinação do teor de humidade natural, determinação do peso específico das partículas, determinação do peso volúmico, determinação do teor em sulfatos, resistência à compressão simples e resistência à compressão triaxial do tipo consolidado não drenado. O traçado do Metropolitano nesta zona em túnel insere-se em terrenos do Oligocénico, na designada Formação de Benfica. A informação geológica recolhida nas sondagens permitiu concluir da sucessão de materiais litologiamente distintos que se podem agrupar globalmente em materiais de granulometria mais grosseira (arenitos conglomeráticos e conglomerados) e granulometria mais fina (argilitos siltosos e siltitos argilosos mais ou menos arenosos) [2]. De um modo geral os ensaios revelaram tratar-se de formações de elevada resistência e baixa deformabilidade com características geotécnicas que se podem enquadrar na transição entre os solos rijos e as rochas brandas. Nos terrenos de natureza areno-conglomerática as percentagens de recuperação obtidas nas sondagens situaramse, na sua maioria, entre os 20% e os 60%. O número de pancadas obtido nos ensaios SPT - N SPT - nesta formação situou-se entre 34 e 60; trata-se de valores característicos de solos compactos e muito compactos. Nas formações de granulometria mais fina foram encontrados materiais coesivos muito consolidados. As recuperações obtidas nestes materiais foram bastantes elevadas com os valores mais frequentes entre 60% e 90%. Os ensaios SPT realizados indiciaram elevada resistência, tendo-se obtido, quase exclusivamente, valores de N SPT de 60 pancadas.
A estas formações estão geralmente associadas permeabilidades reduzidas, podendo, no entanto, ser localmente dominadas por interfaces litológicas, materiais fissurados ou níveis predominantemente grosseiros. No que se refere ao nível de água registado nos piezómetros instalados nas sondagens, diferencia-se o obtido em S34 e S37 - zonas de grandes recobrimentos - onde se detectou a presença de água a cerca de 25m de profundidade, estes níveis correspondem a mais de 20m acima da abóbada do túnel. Nas restantes sondagens o nível de água foi registado a profundidades substancialmente inferiores. Sendo que estas últimas sondagens se referem a zonas de recobrimentos reduzidos, junto aos emboquilhamentos dos túneis. Os ensaios de identificação realizados revelam a ocorrência quer de terrenos predominantemente arenosos (classificados como SC de acordo com a classificação unificada ASTM), quer de terrenos finos (classificados como de tipo CH). Na generalidade das amostras ensaiadas verifica-se uma forte tendência para a ocorrência de materiais plásticos (índices de plasticidade, I P, elevados variando entre 30 e 50%, característicos de solos plásticos a muito plásticos). A determinação da actividade de Skempton, revelou, em alguns casos, a presença de solos activos. Com base nos valores da tensão horizontal obtida no pressiómetro autoperfurador estimaram-se valores para o coeficiente de impulso em repouso, K 0, tendo-se alcançado um valor médio de 1,45, característico de materiais sobreconsolidados. MODELAÇÃO NUMÉRICA TRIDIMENSIONAL Para simulação do comportamento estrutural da obra foi concebido um modelo tridimensional com o programa de diferenças finitas FLAC-3D [4]. O problema foi tratado como simétrico relativamente ao plano vertical que contém o eixo do túnel, deste modo apenas se considerou, para a discretização, metade do domínio em estudo. O modelo criado representa uma região com uma área transversal ao eixo do túnel de 70 35m 2 (Figura 3). O recobrimento na zona em estudo é de 30m sobre do tecto do túnel, pretendendo representar uma secção de instrumentação da obra: a 7ª secção de observação da Frente 52-53 Nascente. Figura 3. Detalhe da malha de diferenças finitas utilizada nas análises numéricas A sequência de construção executada em obra foi simulada nos cálculos efectuados mediante a remoção ou introdução de elementos ou a alteração das suas propriedades. Assim, numa primeira fase, após a definição do estado de tensão geostático, foram alteradas as propriedades da fiada de elementos de 0,5m de espessura acima da abóbada do túnel ao longo de 12m, pretendendo-se simular o reforço por jet-grouting. Seguiu-se a remoção de elementos que representam a meia secção superior do túnel ao longo de 3m e a colocação de elementos de casca no interior da secção escavada com características de deformabilidade da ordem das do terreno envolvente (representando o betão projectado numa fase inicial de endurecimento). Na fase seguinte procedeu-se à escavação de um novo troço de 3m e colocação de novos elementos de casca e à alteração das propriedades dos colocados inicialmente para valores correspondendo a propriedades intermédias de endurecimento do betão projectado. Na terceira fase de escavação, alteram-se as propriedades de deformabilidade do suporte inicial: no troço anterior e no primeiro troço, para valores intermédios e finais de endurecimento, respectivamente. Esta sequência foi repetida até que o reforço acima da abóbada se prolongasse apenas 3m adiante da frente, altura em que se precedeu ao seu prolongamento por mais 9m, perfazendo os
12m dos elementos. Este faseamento foi seguido até à escavação total da bancada do túnel. Posteriormente realizou-se a escavação da soleira e colocação do revestimento primário, segundo idêntico faseamento. O comportamento mecânico do terreno foi simulado por uma lei de comportamento elástico linear perfeitamente plástico, definido até à rotura por um módulo de deformabilidade independente dos níveis de tensão e de deformação. Dadas as características dos materiais geológicos foi admitido que a escavação se processou em condições não drenadas, sendo a rotura controlada pelo critério de Tresca. Os parâmetros de resistência e deformabilidade estimados para a Formação de Benfica foram os seguintes: c u =400kPa, E=200MPa e ν=0,45. Para estabelecimento do estado de tensão inicial adoptou-se para K 0 o valor de 1,4. Ao suporte primário de betão projectado foi atribuído um comportamento linear elástico caracterizado por um coeficiente de Poisson de 0,2 e um módulo de elasticidade variável por forma a simular o endurecimento progressivo deste material: E=400MPa, na primeira fase, E=1GPa, na segunda fase, e E=10GPa, na terceira fase. À zona reforçada adiante da frente, também caracterizada por um comportamento linear elástico, foram atribuídas as seguintes características: E=10GPa e ν=0,2. ANÁLISES EFECTUADAS Numa primeira análise considerou-se um modelo com uma extensão total de 36m, e efectuou-se o cálculo segundo a sequência construtiva acima referida. Assim, após o estabelecimento do estado de tensão inicial, foi realizada a escavação total da secção superior (12 etapas de cálculo) e posteriormente a escavação da soleira até 21m do início do túnel (7 etapas de cálculo). A Figura 4 representa a comparação das convergências obtidas por via da simulação numérica com os valores obtidos nas medições em obra, para uma secção localizada a 10m do início. Verifica-se que na convergência 1-3 o nível de concordância entre os valores registados e medidos é elevado, tendo-se obtido valores da mesma ordem de grandeza quer no fim do desmonte da secção superior (cerca de 1mm), quer no fim da escavação total da secção (cerca de 3mm). No que respeita às convergências horizontais, até à fase de cálculo nº12 (a 21m da secção de medição das convergências) o nível de concordância obtido pelas duas vias é igualmente satisfatório, porém, a partir dessa altura, embora no fim do processo de escavação os valores obtidos pela instrumentação e os derivados dos cálculos apresentem valores aproximados, as diferenças no decurso da construção passam a ser apreciáveis, atingindo cerca de 7mm. Refira-se que, em obra, entre estas duas fases, a escavação da meia secção superior do túnel nesta frente foi praticamente concluída, tendo decorrido cerca de 4 meses até o início da escavação da soleira. Ao longo deste período verificou-se um aumento gradual dos valores medidos nesta convergência (correspondendo ao intervalo entre o 12º e o 13º cálculos), que se ilustra na Figura 5 onde se representam as evoluções cronológicas das convergências na 7ª secção. convergência (mm) 20 15 10 5 0-5 C2-3 calculado C2-3 medido C1-3 calculado C1-3 medido -10-15 -20 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 cálculo Figura 4. Comparação das convergências obtidas por via numérica com as registadas em obra Para avaliar a influência da pré-abóbada de enfilagens foi efectuado um segundo cálculo onde não se considerou a inclusão destes elementos estruturais, mantendo-se a restante sequência construtiva preconizada. Nas Figuras 6-a e 6- b, representam-se as evoluções dos deslocamentos horizontais nos hasteais e verticais no coroamento, numa secção a 10m do início, com o decorrer do processo construtivo. Como se pode verificar a inclusão das enfilagens reduz em mais de 140% os deslocamentos verticais no tecto, após o 12º cálculo (escavação da secção superior), reduzindo consideravelmente as distorções (cerca de 5 vezes) quando da passagem da frente de escavação nesta secção. Também ao nível dos deslocamentos horizontais no hasteal, já fora da zona reforçada, o efeito das enfilagens se faz sentir verificando-se cerca de 25% de redução desta grandeza.
Figura 5. Evolução das convergências no tempo na 7ª secção deslocamento horizontal no hasteal 0 deslocamento (mm) -5-10 -15-20 -25 com pré-abóbada sem pré-abóbada -30-35 -10-7 -4-1 2 5 8 11 14 17 20 23 26-7 -4-1 2 5 8 11 distância à frente (m) (a) deslocamento vertical no coroamento 0-5 com pré-abóbada sem pré-abóbada deslocamento (mm) -10-15 -20-25 -30-10 -7-4 -1 2 5 8 11 14 17 20 23 26-7 -4-1 2 5 8 11 distânca à frente (m) (b) Figura 6. Evolução dos deslocamentos com o decorrer do processo de escavação da bancada e da soleira. (a) deslocamentos horizontais no hasteal, (b) deslocamentos verticais na abóbada Posteriormente, e devido ao facto de os deslocamentos verticais na secção analisada não estabilizarem no final da sequência da escavação da secção superior, decidiu-se aumentar a extensão total do modelo para 60m. As Figuras 7-a e 7-b apresentam os contornos dos deslocamentos verticais obtidos com e sem pré-abóbada..
Contour of Z-Displacement Magfac = 0.000e+000-2.0000e-002 to -1.5000e-002-1.5000e-002 to -1.0000e-002-1.0000e-002 to -5.0000e-003-5.0000e-003 to 0.0000e+000 0.0000e+000 to 5.0000e-003 5.0000e-003 to 1.0000e-002 1.0000e-002 to 1.5000e-002 1.5000e-002 to 2.0000e-002 2.0000e-002 to 2.5000e-002 2.5000e-002 to 3.0000e-002 3.0000e-002 to 3.5000e-002 3.5000e-002 to 3.5000e-002 (a) (b) Figura 7. Contorno de deslocamentos verticais. Cálculo com enfilagens (a), e sem enfilagens (b) Na Figura 8 representa-se o perfil dos deslocamentos verticais no eixo do túnel, para uma secção localizada a 30m da boca. Como se torna evidente da análise das figuras as enfilagens reduzem substancialmente as deformações na zona da abóbada. Este efeito verifica-se, embora com menor expressão, até à superfície deslocamentos verticais (mm) -25,0-20,0-15,0-10,0-5,0 0,0 40,0 com pré-abóbada sem pré-abóbada 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 distância ao eixo do túnel (m) 10,0 5,0 Figura 8. Deslocamentos verticais no eixo do túnel, para uma secção a 30m da boca É de assinalar, também, que o sistema de reforço além de reduzir as deformações verticais no tecto diminui substancialmente a descompressão do maciço na direcção da escavação, aumentando, assim, a segurança em relação à estabilidade da frente de escavação. CONCLUSÕES Neste trabalho realizou-se uma simulação numérica tridimensional da construção de um túnel numa formação Oligocénica da cidade de Lisboa. A estrutura foi executada com uma escavação parcializada da frente, tendo-se utilizado um sistema de pré-suporte em torno da abóbada materializado por uma série de colunas de jet-grouting e enfilagens metálicas. Nos cálculos procurou-se reproduzir toda a sequência construtiva, tendo-se utilizado um módulo 0,0
de elasticidade variável para o betão projectado por forma a simular o seu endurecimento progressivo. As análises realizadas com e sem a inclusão da pré-abóbada revelaram que, para as condições desta obra subterrânea, a adopção destes elementos estruturais de reforço adiante da frente foi particularmente indicada, tendo mostrado a sua importância na redução do nível de deformação em redor da escavação, essencialmente ao nível dos deslocamentos verticais sobre a abóbada, tendo-se notado também uma redução apreciável no valor das convergências horizontais. A comparação dos resultados obtidos numericamente com os registos da instrumentação em obra revelou, em especial para o caso das deformações horizontais, que a modelação efectuada não permitiu, a partir de uma certa fase, que se alcançassem valores próximos dos obtidos na observação da obra, registando-se um efeito diferido no tempo que se revelou num aumento muito substancial das convergências horizontais no interior do túnel como resultado do aumento das cargas sobre o suporte. Este facto é bastante evidente, no caso da secção analisada, quando se prossegue com a escavação já fora da zona de influência da secção em análise e as convergências horizontais continuam a aumentar gradualmente num processo que se julga ligado à presença de água no maciço, que terá originado a dissipação de pressões neutras negativas, e consequente diminuição das características de resistência e a expansão do terreno na zona dos hasteais onde se desenvolveram tensões de corte significativas, e ao funcionamento do túnel como um dreno, que poderá ter induzido importantes forças de percolação no suporte de betão projectado. REFERÊNCIAS [1] Sousa, R.L.; Melâneo, F. (2002). Túneis NATM da extensão da Linha Amarela do Metropolitano de Lisboa. Análise do comportamento. Actas do 8º Congresso Nacional de Geotecnia. LNEC, Lisboa, Portugal, pp. 1191-1204. [2] Geoncontrole (1999). Carriche - Odivelas. Reconhecimento geotécnico. Vol. I Metropolitano de Lisboa, Ferconsult. Prolongamento Campo Grande - Odivelas [3] LNEC (1999). Ensaios pressiométricos na linha de metropolitano Carriche - Odivelas. Ensaios em Odivelas. Relatório 59/99 NF. [4] Itasca (1999). FLAC3D Fast Lagrangean Analysis of Continua in 3 Dimensions, Version 2.0. User s Manual, Itasca Consulting Group, Minneapolis, Minnesota.